一、可控電抗器概述
可控電抗器即電抗值或電抗器容量可控調節的電抗器。
對可控電抗器的研究始于上個世紀50年代,相繼出現了調匝式、調氣隙式、高阻抗變壓器式、相控式等多種類型的可控電抗器,這些可控電抗器對當時的電力工業發展起了一定的積極作用。但是,這些可控電抗器由于受工作原理、控制方式等多種因素的限制,大都不能應用于高壓電網中,更不能適應快速響應、自動控制的需要。
根椐磁飽和原理設計制作的可控電抗器于50年代由英國率先研制成功,但該電抗器損耗大,響應速度慢,沒有得到普遍采用。1986年原蘇聯專家提出了新的磁飽和式可控電抗器設計方案,大大地改善了可控電抗器的性能,將可控電抗器的研究向前推進了一大步。
隨著科學技術的發展、材料性能的改善和電力工業飛速發展的需要,為可控電抗器的研制和開發提供了廣闊的天地。1990年我國少數專家開始著手磁飽和式可控電抗器的研制,并已取得了積極的成果。我公司與國內某知名大學電氣工程學院研制開發的直流偏磁磁閥式可控電抗器(簡稱新型可控電抗器),將我國可控電抗器的研究推向了實用階段。
二、新型可控電抗器
新型可控電抗器與傳統飽和式電抗器雖然都源于磁飽和的原理,但由于其設計理念不同,結構方式不同,二者的工作性能有著明顯的差別。
傳統的飽和式可控電抗器在工作過程中,鐵心長期處于磁飽和狀態,損耗很大,控制繞組的電流慣性也大,響應時間長,很難適應電網發展的要求。制作出超大容量的可控電抗器將很困難。
新型可控電抗器在設計上賦予了新的理論,采用了先進的導磁材料和控制技術,克服了飽和式可控電抗器存在的弊端,具有可隨著高壓輸電線路傳輸功率的變化自動平滑地調節自身容量的能力;響應時間可在5ms~300ms內根據不同系統設計,自動化程度高;由于其結構簡單,提高了設備的可靠性;同時,不僅減小了體積,也降低了損耗和成本。新型可控電抗器的研制成功填補了我國可控電抗器的空白。
三、輸配電系統中的動態靜止無功補償
隨著互聯電網的發展,我國跨區域的長距離集中送電的交流輸電通道或交直流并聯輸電通道越來越多,大事故擾動下電網的動態無功支持能力不僅成為互聯電網送電能力的重要約束,而且能夠影響到聯網系統的電壓穩定水平和電壓安全裕度。近年來,隨著大功率非線性負荷用戶的不斷增多,對電網的沖擊和諧波污染呈不斷上升趨勢,缺乏無功調節手段造成了母線電壓隨運行方式的變化很大,導致電網線損增加,穩定性下降,使得系統電壓合格率不高。而在我國電網建設和運行中,長期存在的一個問題是無功補償容量不足和配備不合理,特別是可調節的無功容量不足,快速響應的無功調節設備更少。電網發展與無功補償不足的矛盾越來越突出,新型可控電抗器的誕生為解決這一矛盾提供了良好的設備和途徑。
無功補償技術的發展經歷了從同步調相機→開關投切固定電容器→動態投切電容器(SVC)→無功發生器(STATCOM)的過程。它們的各自特點如下:
① 同步調相機:響應速度慢,噪音大,損耗大,技術陳舊;
② 開關投切電容器:慢響應補償方式,連續可控能力差;
③ 靜止無功補償器(SVC):先進實用技術,得到了廣泛應用;
④ 靜止無功發生器(STATCOM):技術上有局限性,處于少數示范工程階段。
靜止無功補償器(SVC)的主要形式有TCR(晶閘管相控電抗器型)和TSC(晶閘管投切電容器型)以及兩者的結合。在高壓和超高壓電網的靜止無功補償中,TSC受晶閘管自身參數的影響,使設備復雜,造價高昂,維修困難,可靠性差,普遍采用的難度很大。
我公司研制開發的新型可控電抗器亦屬于SVC的范疇,但與TSC不同的是,采用低壓直流控制,規避了TSC高壓控制的風險;磁閥式結構設計,擴大了電流調整范圍,有效地降低了諧波和損耗;加之成本低廉,安全可靠,是優于TSC的無功補償設備。
四、新型可控電抗器的應用
(一)輸配電系統的動態無功補償
將固定電容器與新型可控電抗器并聯在輸配電線路上,依靠電抗器具有的調節自身容量的特性自動平衡無功,這一過程即為無功補償(如圖1所示)。其補償過程是:當線路傳輸自然功率時,它的電抗值最大,容量最小,吸收的容性無功也最小;當線路傳輸功率很小時,它的電抗值最小,容量達到額定值,意味著所吸收的容性無功最大。由于新型可控電抗器具有實時檢測和快速響應的特點,可以在瞬時內改變自己的電抗值,以達到自動快速平衡無功的目的。
新型可控電抗器的實質是特殊的并聯電抗器,它可與電容器一起直接并聯在高壓或超高壓輸電線路上。可控電抗器采用的是低壓直流控制,與現行的SVC補償裝置相比更適合于高壓運行。這種無功補償系統結構簡單,經濟安全,是輸配電系統無功補償理想的替代產品。
目前我公司與國內某知名大學研制開發的新型可控電抗器電壓等級為10kV~110kV ,最大容量為300Mvar ,根據使用場合的不同,響應時間可在5ms~300ms之間設置,功率因數的控制精度可以穩定地控制在0.95~0.96。
(二)冶煉行業的無功補償
在冶煉行業,電弧爐和軋鋼機是耗能大、對供電系統沖擊大的設備,特別是電弧爐作為非線性無規律負荷接入電網,導致電網嚴重三相不平衡,產生負序電流和高次諧波,使電壓畸變更趨復雜化,存在嚴重的電壓閃變,許多中小企業的功率因數只能達到0.7左右。
軋鋼機及其他工業對稱負載,在工作中所產生的無功沖擊也會引起電網電壓降及電壓波動,嚴重時使電氣設備不能正常工作,降低了生產效率。
徹底解決上述問題的唯一方法是安裝具有快速響應的動態無功補償。新型可控電抗器動態補償系統具有優良的動態特性和快速響應的能力,完全可以滿足嚴格的技術要求,向電弧爐和軋鋼機快速提供無功電流并且穩定母線電網電壓,增加有功功率的輸出,節約電能,提高生產效率,并且最大限度地降低閃變的影響。
(三)電氣化以鐵路的無功補償
電力機車運輸方式在保護環境的同時也對電網造成了嚴重“污染”,因電力機車為單相供電,這種單相負荷造成了供電網的嚴重三相不平衡及低的功率因數,并產生負序電流。
目前世界各國解決這一問題的唯一途徑就是在鐵路沿線適當位置安裝動態補償系統,通過快速補償來平衡三相電網,并通過濾波裝置來提高功率因數。這一目的可由新型可控電抗器動態補償系統來實現。所配置的可控電抗器容量可根據用戶實際需要設計。
(四)城市二級變電站的無功補償
在區域電網中,一般采用分級投切電容器組的方式來補償系統無功,改善功率因數,這種方式只能向系統提供容性無功,并且不能隨負載的變化而實現快速精確調節,在保證母線功率因數的同時,容易造成向系統倒送無功,抬高母線電壓,危害用電設備及系統穩定性。新型可控電抗器動態補償系統可以快速精確地進行無功補償,使母線電壓穩定,在提高功率因數的同時,徹底、方便地解決了無功倒送問題。
(五)遠距離電力傳輸補償
全球電力目前正在趨向大功率,長距離輸電,高能量消耗,同時也迫使輸配電系統不得不更加有效,新型可控電抗器動態補償系統可以明顯提高電力系統輸配電性能,這已在世界范圍內得到了廣泛的證明,即在不同的電網條件下,為保持一個平衡的電壓時,可在電網的一處或多處適合的位置上安裝新型可控電抗器動態補償系統,以達到穩定弱系統電壓;減少傳輸損耗;增加傳輸能力,使現有電網發揮最大效率;提高瞬變穩態極限;增加小干擾下的阻尼;增強電壓控制及穩定性;緩沖功率振蕩。
(六)礦山、通信等企業的重負載補償
礦山的提升機、大功率破碎機、空壓機,采油用的磕頭機,通信行業使用的大功率逆變電源等,消耗大量的無功電能,引起電網電壓降及電壓波動,使功率因數下降,傳動裝置會產生有害高次諧波。對于電網來說,各類企業都存在大量的無功負載,這些負載是電網負載的主體,解決上述問題,除了輸配電系統集中配置無功補償系統外,大量的是需要在企業的變電站(所)就近安裝補償系統,這是可控電抗器動態補償系統最廣闊的應用空間。
(七)可控電抗器的其他應用
① 電壓調節與系統保護
可控電抗器能有效地限制工頻過電壓和操作過電壓。
在電網正常運行時,可控電抗器的容量可根據線路所傳輸的功率自動平滑調節,以穩定其電壓水平。在線路傳輸大功率時,若出現末端三相跳閘甩負荷的情況,處于接近空載狀態的可控電抗器可通過快速勵磁系統迅速將電抗器容量調整到所需值,以限制工頻過電壓。
由于可控電抗器的補償作用,使得空載線路的工頻電壓得以抑制,從而降低了系統的操作過電壓水平,其過電壓水平不超過1.6倍。
可控電抗器能抑制潛供電流。可控電抗器配合中性點小電抗和一定的控制方式,可大大減小線路單相接地時的潛供電流,有效地促使電弧熄滅。
可控電抗器還能有效地消除發電機自勵磁。發電機帶空載線路運行時,有可能產生自勵磁,這對發電機是不利的。可控電抗器的自動平滑補償作用能有效地消除產生自勵磁的條件和現象。
② 節約電能
由于可控電抗器具有自動平衡系統無功的能力,大大降低了系統的無功損耗,提高了系統的功率因數,是節能降耗的重要設備。
五、我公司新型可控電抗器的生產水平
目前我公司與武漢大學共同研制開發的磁閥式可控電抗器電壓等級為10kV~110kV,最大容量為300Mvar。也可根據用戶提供的需用參數進行專門設計,為用戶提供性能優良的可控電抗器。我們愿與廣大用戶一道,致力于中國的電氣節能事業,以先進的技術和優質的產品服務于國內電力市場,為各工礦企業及電力部門的節能降耗和安全生產做出貢獻。